单振子双腔体V型管无阀压电泵的数值模拟与空化研究

摘要

由于压电泵具有结构简单、体积小、无电磁干扰、输出特性易于控制等诸多优点，并且可在较低的驱动电压下获得较好的输出能力，是微流体系统关键部件之一，广泛应用于医疗器械、生物基因工程等领域。压电泵不是传统泵的微型化，而是一个复杂的多物理因素耦合系统，因为其形状、尺寸、流体的流动特性等对泵的性能均有很大的影响。随着微流体技术的不断发展，小体积、大流量的压电泵成为主要的研究方向之一，为此，本文提出了单振子双腔体V型管无阀压电泵模型，为了探讨该泵内部流动规律，本文具体的研究工作主要有以下几个方面：
　　 1、简要地概述了基于微电子机械系统(MEMS)的微型泵，对压电泵的国内外研究现状及发展前景进行了归纳总结。
　　 2、介绍了微尺度流动的基础理论，对微泵内部的流动特性进行了理论分析。
　　 3、基于压电基础理论知识，利用有限元分析软件ANSYS对圆形双晶片压电振子进行振动分析和疲劳分析，找到了影响压电振子疲劳寿命的相关因素，利用Miner法则判断压电振子是否满足强度要求，预测其疲劳寿命，并和单晶片压电振子进行了相应地比较。分析讨论了不同结构参数以及材料参数对压电振子疲劳性能的影响，为改进压电振子结构提高其抗疲劳性能提供了理论依据。
　　 4、运用C语言对压电振子的动态特征进行UDF编程，将其调入Fluent软件中，并结合动网格技术，通过间接耦合的方法对单振子双腔体V型管无阀压电泵进行数值模拟，得到了泵的内部流场特性，由其动态特征得知采用动网格模型来设定压电振子运动边界是正确可行的。研究分析了驱动频率、振幅、泵腔高度、管道位置对泵送功能的影响，为优化该类型压电泵的结构提供了参考价值。
　　 5介绍了有关空化方面的理论知识，利用Fluent软件Mixture空化模型对单振子双腔体 V型管无阀压电泵的内部流场进行了数值模拟与分析，对压电泵工作时泵内汽、液的分布及空化流动进行了分析与研究，并提出了相应的措施，在一定程度上提高了压电泵的性能。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 压电泵简介

1.2.1 压电泵的特点

1.2.2 压电泵的分类

1.2.3 压电泵的国内外研究现状及进展

1.3 压电泵的发展趋势

1.3.1 目前存在的问题

1.3.2 压电泵的研究方向

1.3.3 压电泵的应用前景

1.4 本文研究的内容和意义

1.4.1 研究的主要内容

1.4.2 研究的意义

第二章 微尺度流动理论

2.1 微尺度划分

2.2 连续性假设

2.3 微尺度流体特性

2.4 微尺度流态分析

2.5 微泵内部流体的流动分析

2.5.1 微泵内部流体模型

2.5.2 微泵内部流体控制方程

2.6 本章小结

第三章 泵用双晶片压电振子有限元分析

3.1 压电振子理论

3.1.1 压电效应

3.1.2 压电材料

3.1.3 压电振子

3.1.4 压电方程

3.1.5 Rayleigh-Ritz法求解

3.2 疲劳分析理论

3.2.1 疲劳基础理论

3.2.2 疲劳特性曲线(S-N曲线)

3.3 双晶片压电振子结构

3.3.1 压电振子结构及绝缘处理

3.3.2 压电振子振动模式

3.3.3 压电振子支撑方式

3.3.4 压电振子引线方式

3.4 双晶片压电振子有限元分析

3.4.1 压电振子振动分析

3.4.2 压电振子疲劳分析

3.5 本章小结

第四章 单振子双腔体V型管无阀压电泵内部流场数值分析

4.1 数学模型

4.1.1 单振子双腔体V型管无阀压电泵结构

4.1.2 几何模型的建立

4.1.3 边界条件的设置

4.1.4 控制方程及湍流模型

4.2 动网格技术及UDF编程

4.2.1 动网格技术理论

4.2.2 动网格边界运动

4.2.3 UDF编程

4.3 计算流程及网格划分

4.3.1 计算流程

4.3.2 网格划分

4.4 压电泵内部流场的数值分析

4.4.1 单振子双腔体压电泵的工作原理

4.4.2 压电泵内部流场动态特征分析

4.4.3 压电泵内部流场的特性分析

4.5 本章小结

第五章 压电泵内部流动的空化研究

5.1 空化模型

5.1.1 空化理论

5.1.2 控制方程

5.1.3 压电泵产生空化的原因

5.1.4 边界条件的设置

5.2 压电泵空化的数值分析

5.2.1 空化的数值模拟

5.2.2 频率的影响及分析

5.3 空化的影响以及解决措施

5.4 本章小结

第六章 工作总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文情况